Hvordan fremstilles højtryks-turbine rotorblader i flymotorer?

Princippet for, hvordan højtryks-turbine rotorblader på flyvemotorer fremstilles, er meget simpelt, men de forskellige parametre i dette proces kræver mange eksperimenter for at få de nødvendige parametre for hver knudepunkt, sammensætningen af hjælpematerialer og en del held.

Først kræver de højtryks-turbine rotorblader komplekse indre kølevæskeledninger (se figuren nedenfor). Først laves de indre kølevæskeledninger (uden køleluft huller, som vil blive drøftet senere). Voksbilledet formes derefter med en særlig keramik for at danne kølevæskeledningerne.

Efter at have fået denne keramiske luftvejsmåde, sætter du den sammen med bladets ydemål og lægger den i kastingsovnen. Den smeltede superlegering* går ind i mængdekammeret fra toppen til bunden (inklusiv keramisk luftvejsindermåde og voksende ydemål). Det er meget besværligt at lave uendelige lag af coatings mellem hver mængdeproduktion. Tyske virksomheder bruger robotter til at gøre det, og det ser ud til at Rusland stadig bruger tantes børster. Disse coatings bestemmer direkte kvaliteten af kastningen, og tolerancerne er ekstremt små.

På dette tidspunkt vil kastningsmaskinen strengt kontrollere temperaturen på den smeltede superlegering, og derefter lader den solidificere på en vandret plan (dvs. væksten af krystallerne), fra bunden mod toppen, når krystallerne vokser i spiral (krystalvælger), presser de og vælger hinanden ud, og til sidst vil der kun være én krystal tilbage, der er nærmest den forudbestemte retning, og denne krystal vil fortsætte med at vokse opad.

Fordi højtryksaksen skal rotere mere end 10.000 gange, udsættes hver enkelt del for en centrifugalkraft på over 10 tons, og da styrken af nikkelkristaller i hver retning er forskellig, skal dens diagonal (den stærkeste retning) være inden for 10 grader af centrifugalkraftens retning. (Et tilføjelsesvis bemærkede punkt: den enkeltretnings-nikkelbaserede alloy, der bruges i lavtryks-turbine rotor, kræver kristalretningen, men ikke kun én enkelt kristal, fordi smeltepunktet for enkelte kristaller er 50K højere end for polycrystallin materiale (inklusiv enkeltretningskristaller))

Udbyttet er ikke højt. Så vidt jeg ved, har mange fremragende nøjagtighedssmelterier i Tyskland udfordret denne proces og til sidst gået bankrupt. Tersklen er virkelig for høj.

Til sidst får man det færdige produkt, og der bruges en særlig base til at opløse keramikformen, der er blevet tilbage i luftgangen for at lave køle huller. Der findes elektro-oppløste huller og elektrokemiske huller. De mest almindelige huller laves med laser. Hullernes form er også meget kompliceret. Derefter følger galvanisk behandling, som også er et omfattende emne.

Billedet nedenfor viser polycrystallin til venstre, enkeltrettede krystal i midten og enkeltkrystal til højre.

Imidlertid, efter formgivningen har lammene ikke de luftåbninger, der forbinder den indre køleluftledning og lammeoverfladen. Dette udføres normalt med laser. Da køleluften har mistet meget tryk, når den trækkes fra højtrykskompressoren og flyder fra den hulde akse til den højtryks turbine, selvom kernekøret Luft også mister tryk, når den passerer gennem forbrændingen, og processen fra aksen til lammen har en vis centrifugelukkompresions- og trykfremgangseffekt, kræves det stadig et højere statisk tryk for at få køleluften til at ramme lammeoverfladen. På dette tidspunkt er der behov for en åbning med en udvidet korsniveau for at håndtere køleluften, reducere dynamisk tryk og øge statisk tryk, og derefter presser køleluften det varme kernekøreluft væk fra lammeoverfladen (mange onsyner). Desuden vil for hurtigt en hastighed føre til, at kølen direkte injiceres i kernekøreluften, og den har endnu en funktion, nemlig at danne en køleluftfilm på lammeoverfladen for at beskytte lammen, hvilket kræver fremdriftsreduktion og trykfremgang.

Derfor skal denne type hul optimere sin geometriske form for forskellige positioner. Laserboring kan let automatisk, men ulempe er, at der vil være interne overfladebelastninger.

Haleenden af turbine-stator (enkeltrettede kristal, ud af emnet) skal pressevesen med køle huller til at tjene den efterfølgende turbin rotor. Dette hul er ekstremt slank og kan ikke klare interne belastninger, så det laves ved elektrokemisk korrosion. Selvfølgelig er disse ikke absolutte, og forskellige virksomheder har forskellige bearbejdning metoder.

Efter at have gjort dette, er der opnået en enkeltkristallturbinblad, men det er endnu ikke blevet behandlet med et overfladebelæg. Moderne turbinblader kræver et lag af zirkonia-termisk barrierebelægning, en zirkoniaoksidkeramik. Fordi det er keramik, er det i vis udstrækning skrøbeligt. Når turbinen virker, hvis der sker en let deformation, kan hele stykket komme løs, og turbinbladene vil smelte umiddelbart. Dette er helt uacceptabelt inden for Hangfa.

Der findes derefter EB-PVD-processen (Elektronstrålig fysisk dampdeposition), en dampdepositionsmetode.

Selvfølgelig er der mange lag af andre materialer før fremstelsen, såsom platinbeklædning (platin), plasma-sprøjting osv. Der er også et lag, der forstærker zirkonien og klistrer det fast som lim. Selvfølgelig findes der små forskelle mellem hver enkelt virksomhed, og de er ikke statiske.

Først emitterer elektronkanonen en elektronstråle, som ledes af det magnetiske felt og rammer zirkonia-underlaget. Underlaget, der bliver bombarderet af elektronerne, vil gå over i en gasform, og den gassige zirkonia ledsages til bladets overflade for at begynde at vokse. Zirkonia vil vokse til små staver med en diameter på 1 mikron og en længde på 50 mikroner, der tæt dekker bladenes overflade uden at porene bliver dækket. Fordi det ikke er et helt stykke keramik, kan de små staver bevæge sig lidt relativt til hinanden uden at hele stykket løftes af, hvilket løser problemet med fejl forårsaget af deformation.

Zirkonia har ekstremt høj hårdhed og ekstremt lav varmeledningsevne, hvilket kan opnå et meget brat temperaturgradient mellem nikkel-substratet og den varme kernekøret. Med intern køling og luftfilmkøling kan bladet arbejde længe med høj styrke og høj pålidelighed i en miljø, der er langt højere end dets egen smeltetemperatur.

På dette tidspunkt er bladets overflade færdig. For at passe ind i turbinhjulet har bladet også brug for en fyrretrudet eller mortisel-stuktur i bladrodet.

Som nævnt ovenfor udholder hvert turbinblad mere end ti ton centrifugalkraft under drift, og bladrodet skal også behandles meget nøjagtigt. Nikkelbaserede superalloyer er meget hårde, højtemperaturbestandige og meget vanskelige at bearbejde.

Bladrodet bliver slået ud. Bladet fastgøres af et særligt fixture, og de øverste og nederste slibringe med modsat geometri (hunkorm) sliber indad.

Dette vil forårsage, at den abrasive skive hurtigt fejler, så der tilføjes en positiv diamantskive på yderen af de to abrasive skiver for at polere skiven kontinuerligt og holde den i funktion. De industrielle diamanter på diamantskiven er klemt på af robotter.

Efter disse processer og inspektion er bladet klar til at arbejde. Det er kun en del af en flymotor, og en flymotor er kun et modul på et fly.